皮克斯兩位創始元老獲得本屆圖靈獎,他們兩人就是整個好萊塢近代的動畫電影史

兩位皮克斯的創始員工,Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 在昨天獲得了電腦科學界的諾貝爾獎「圖靈獎」,以表彰他們在3D圖像以及CGI影像製作方面的成就。他們兩人的名字,幾乎就代表了近代整個好萊塢的動畫電影史。

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ACM(電腦協會)宣佈,授予 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 2019 年 ACM A.M. 圖靈獎榮譽,以表彰他們對 3D 電腦圖形學的貢獻,以及這些技術對電影製作和電腦成像(CGI)等應用的革命性影響。

Edwin Catmull 是著名電腦科學家,皮克斯動畫工作室聯合創辦人、前總裁;Patrick Hanrahan 是皮克斯動畫工作室創始員工之一,同時也是史丹佛大學電腦圖形學實驗室教授。

圖靈獎公佈,計算機圖形學先驅Hanrahan和Catmull獲獎,二人見證了好萊塢3D動畫電影史

Ed Catmull 和 Pat Hanrahan 透過概念創新以及對軟體和硬體的貢獻,從根本上影響了電腦圖形學領域。他們的作品對電影製作產生了革命性的影響,從 25 年前的《玩具總動員》開始,一直延續到今天,形成了一種全新的電腦動畫電影類型,並為當今 3D 動畫電影鋪平了道路。

如今,在全球 1380 億美元的電影產業中,3D 電腦動畫電影是一種非常受歡迎的類型。3D 電腦圖像對於蓬勃發展的影片遊戲行業以及新興的虛擬實境和擴增實境領域也至關重要。

Catmull 和 Hanrahan 在技術上做出了開創性的貢獻,這些貢獻對於當今 CGI 圖像的發展仍是不可或缺的一部分。此外,他們對程式圖形處理器(programming graphics processing units ,GPUs)的見解不僅影響了電腦圖形學,還影響了包括數據中心管理和人工智慧在內的各個領域。

ACM 同時宣佈,2020 年 6 月 20 日星期六在加利福尼亞州舊金山舉行的 ACM 年度頒獎宴會上,將正式為 Hanrahan 和 Catmull 頒發獎項,兩位獲獎者也將共同獲得 100 萬美元獎金。

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ACM 主席 Cherri M. Pancake 說:「CGI 改變了電影的製作和體驗方式,同時也深刻影響了更廣泛的娛樂行業。我們非常高興認識到 Pat Hanrahan 和 Ed Catmull,因為電腦圖形學是 ACM 中最大和最活躍的社群之一,ACM SIGGRAPH 年會就是證明。

與此同時,Catmull 和 Hanrahan 的貢獻表明,一種在計算專業化的進步( advances in one specialization of computing )可以對其他領域產生重大影響,例如 Hanraha 為 GPUs 開發著色語言(Hanrahan's work with shading languages for GPUs),使其成為廣泛領域的通用計算引擎,包括我自己的高性能計算專業。」

Google高級研究員、Google人工智慧高級副總裁 Jeff Dean 表示:「由於 3D 電腦圖形技術現在已經非常普及,我們常常忘記這個領域在不久前是什麼樣子的。雖然技術在不斷發展,但是 Hanrahan 和 Catmull 幾十年前開發的技術,至今仍是該領域的標準,這給人留下了深刻的印象。表彰 CGI 技術的科學貢獻,並讓公眾瞭解這樣一個在未來幾年將影響虛擬與擴增實境、數據可視化、教育、醫學影像等諸多領域的學科,是十分重要的。」

「Pat Hanrahan 在 3D 建模和圖像渲染方面的工作非常傑出,這是讓電腦能夠可視化的表示圖形,讓人和電腦可以圖形化的互動,應用範圍及其廣泛,包括:電腦成像、三維動畫,甚至網路影像傳播也屬於這個方向的範疇。這也是 Hanrahan 成為好幾家公司首席科學家的原因。」清華大學電腦系教授唐傑對此表示。

兩人代表一部 3D 動畫電影史

Catmull 於 1974 年在猶他大學獲得電腦科學博士學位。他的導師包括電腦圖形學之父、1988 年 ACM A.M. 圖靈獎獲得者 Ivan Sutherland。

在他的博士學位論文中,Catmull 引入兩種突破性的技術來顯示曲面補丁而不是多邊形:用於管理電腦圖形學中圖像深度坐標的 Z 緩衝(Z-buffering);以及將二維表面紋理映射在三維對象上的紋理映射(texture mapping)。

在猶他大學期間,Catmull 還創建了一種透過指定一個粗糙多邊形網格來表示一個平滑曲面的新方法。Catmull 的技術在發展真實感圖形和消除 「鋸齒」(原始電腦圖形學的一個特徵,圖形周圍的粗糙邊緣)方面發揮了重要作用。

離開猶他大學後, Catmull 成立了紐約理工學院(NYIT)電腦圖形實驗室,這是美國最早的專用電腦圖形實驗室之一。在那個時候,Catmull 就夢想著製作一部電腦動畫電影。

1979 年,《星際大戰》的導演 George Lucas 聘請了 Catmull,使得他離自己的動畫電影夢又近了一步。在 Lucas 電影公司(LucasFilm),Catmull 及其同事繼續開發 3D 電腦圖形動畫的創新技術,而當時這個行業仍然被傳統的 2D 技術所主導。

1986 年,史蒂夫・賈伯斯(Steve Jobs)收購了盧卡斯電影公司(LucasFilm)的電腦動畫部門,並將其更名為皮克斯,Catmull 擔任總裁。

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而 Pat Hanrahan 就是 Catmull 執掌皮克斯動畫工作室的第一批員工。

Hanrahan 於 1985 年獲得了威斯康辛大學麥迪遜分校的生物物理學博士學位,加入皮克斯動畫工作室之前,還曾在 NYIT 的電腦圖形學實驗室短暫工作過。

在皮克斯動畫工作室期間,Hanrahan 是一種新型圖形系統的首席架構師,該技術可以使用真實的材料屬性和光線來渲染曲線形狀。此系統(後來稱為 RenderMan)的一個關鍵思想是著色器(用於著色 CGI 圖像)。RenderMan 的功能將光反射行為與幾何形狀分開,並計算形狀上各點的顏色、透明度和紋理。RenderMan 系統還結合了 Catmull 早前在該領域做出的貢獻的 Z 緩衝和細分曲面創新。

在皮克斯工作期間, Hanrahan 還開發了體繪圖(volume rendering)技術,該技術使 CGI 藝術家可以渲染 3D 數據集的 2D 投影,例如抽菸。

在 Hanrahan 最常被引用的論文中,Hanrahan 與合著者 Marc Levoy 一起介紹了一種光場渲染技術,這種方法可透過從任意點產生新視圖而沒有深度訊息或特徵匹配,進而使觀看者感覺它們正在穿越情境。Hanrahan 還開發了使用次表面散射來描繪皮膚和頭髮的技術,並使用蒙特卡洛射線追蹤技術來渲染複雜的照明效果(所謂的全局照明或 GI)。

1990 年,Hanrahan 在一篇開創性論文中發表了他的 RenderMan 研究。此時,距離電腦硬體發展到可以使用 Hanrahan 的 RenderMan 系統製作完整的 3D 電腦動畫電影《玩具總動員》,還有五年的時間。

在 Catmull 的領導下,皮克斯使用 RenderMan 技術製作了一系列成功的電影。皮克斯還將 RenderMan 授權給其他電影公司,在過去 47 部獲得奧斯卡最佳視覺效果提名的電影中,有 44 部使用了該軟體,其中包括《阿凡達》、《鐵達尼號》、《美女與野獸》、《魔戒》三部曲以及《星際大戰前傳》等。

圖靈獎公佈,計算機圖形學先驅Hanrahan和Catmull獲獎,二人見證了好萊塢3D動畫電影史

1989 年,Hanrahan 在離開皮克斯之後進入普林斯頓大學和史丹佛大學擔任學術職務。從 20 世紀 90 年代開始,他和他的研究團隊擴展了 RenderMan 著色語言,使其可以在更強大的 GPU 上實時工作。Hanrahan 和他的學生開發的 GPUs 程式語言,也引起了商業版本(包括 OpenGL 陰影語言)的開發,並徹底改變了影片遊戲的編寫。

GPUs 上廣泛使用的各種著色語言,最終要求 GPUs 硬體設計人員開發更靈活的體系結構。這些架構又反過來使 GPUs 可以用於各種計算環境,包括為高性能計算應用程式執行演算法,以及為人工智慧應用程式在巨量資料集上訓練機器學習演算法。特別一提的是,Hanrahan 和他的學生還開發了一種用於 GPU 的語言:Brook,並最終催生了 NVIDIA 的 CUDA。

Catmull 在皮克斯呆了 30 多年,皮克斯後來也成為迪斯尼動畫工作室的子公司。在他的領導下,實驗室的數十名研究人員發明並發布了對電腦動畫電影和電腦圖形產生重大貢獻的基礎技術,包括圖像合成(image compositing)、運動模糊(motion blur)、布料模擬(cloth simulation)等。

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玩具總動員、海底總動員、超人總動員、賽車總動員、機器人總動員、飛屋環遊記、可可夜總會、怪獸大學、頭腦特工隊等耳熟能詳的動畫電影,均出自皮克斯動畫工作室

Hanrahan 和 Catmull 也因其技術貢獻,而獲得 ACM SIGGRAPH 以及美國電影藝術與科學學院獎項及榮譽。

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